小型四旋翼無人機在小面積測繪工程中的運用優(yōu)勢分析

黃 斌，翟佳輝

（西安煤航遙感信息有限公司，陜西 西安710199）

在無人機技術(shù)發(fā)展初期的測繪工程[1]項目中，主要依靠固定翼無人機搭載不同類型的載荷來完成相關(guān)的工作。盡管固定翼無人機可以按照規(guī)劃的航線執(zhí)行任務，但對操作人員的專業(yè)操作水平、數(shù)量要求很高。隨著無人機飛控技術(shù)不斷取得新的突破，使得具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡易、性能穩(wěn)定優(yōu)勢的多旋翼無人機，越來越小型化、智能化，單人單機即可作業(yè)，需要多人協(xié)作的固定翼無人機不再是唯一選擇。在小面積測繪工程項目中，合理地使用小型四旋翼無人機，不僅能高效地完成工作任務，而且可以保證成果數(shù)據(jù)的質(zhì)量可靠。

1 測繪工程項目中常見的無人機類型

測繪工程項目中常見的無人機類型，主要分為固定翼無人機和旋翼無人機。隨著電池技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，聚合物鋰電池逐步向高密度、小體積、大容量方向進步。搭載聚合物鋰電池的電動無人機不僅在續(xù)航里程上不斷突破，且運行穩(wěn)定，攜帶方便，逐漸取代了以燃油發(fā)動機為動力的油動無人機。常見的固定翼無人機以起飛方式不同又分為手拋式固定翼無人機、彈射式固定翼無人機、垂直起降式固定翼無人機三種類型。固定翼無人機在測繪工程的運用中，具有作業(yè)面積大、抗風能力強、續(xù)航里程長等優(yōu)勢，可以靈活搭載多種任務載荷，以滿足不同測繪工程任務的需要；其劣勢在于，對作業(yè)人員的數(shù)量、作業(yè)人員的配合熟練程度、飛行場地、測區(qū)天氣狀況有一定要求，且需要作業(yè)人員對無人機的操控必須熟練掌握。旋翼無人機的優(yōu)勢在于起降方式簡單，對作業(yè)人員的數(shù)量、飛行場地、測區(qū)天氣的要求較固定翼無人機相比，所受的約束較小；劣勢在于較固定翼無人機作業(yè)面積小、續(xù)航里程短?？偠灾还苁枪潭ㄒ頍o人機，還是旋翼無人機，在搭載小型數(shù)碼相機進行低空航空數(shù)字攝影的情況下，其拍攝的影像有清晰度高、分辨率高、實時性好、自主性強的特點，具有快速、實時、精度高等優(yōu)點，可以真實、準確地反映地面紋理信息和具體的地形地貌。

2 小型四旋翼無人機在小面積測繪工程中的優(yōu)勢

無人機在測繪工程中，主要應用于低空航空數(shù)字攝影測量方面，與衛(wèi)星遙感影像相比，低空航空數(shù)字攝影測量具有方便靈活、成本低、精度高、數(shù)據(jù)時效性強等諸多優(yōu)勢。在常見的測繪工程中，存在眾多面積較小，地形較為復雜，或其他因素導致的不適合固定翼無人機作業(yè)的區(qū)域，在這種條件受限的情況下，使用小型四旋翼無人機，可以有效規(guī)避不利因素，利用旋翼機的自身優(yōu)勢，在作業(yè)成本可控的情況下，以較小的成本、較高的效率完成飛行作業(yè)。

在筆者參與的大量測繪工程項目中，經(jīng)過不斷總結(jié)發(fā)現(xiàn)，使用小型四旋翼無人機（大疆精靈4RTK）具有如下幾個方面的優(yōu)勢。

2.1 飛控設計優(yōu)秀

無人機的飛控系統(tǒng)是無人機的中樞神經(jīng)，無人機在飛行過程中，必須依靠飛控系統(tǒng)發(fā)出的指令，及時調(diào)整無人機各項飛行參數(shù)，以獲得穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。各種飛行傳感器（如空速計、GPS、陀螺儀、磁羅盤等）先將實時采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給無人機的飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)再依靠自身算法，對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行計算，并通過內(nèi)部鏈路發(fā)送給電調(diào)、電機，使無人機在最優(yōu)的動力電源輸出條件下，獲得最適合的飛行動力及最理想的續(xù)航狀態(tài)。與此同時，無人機飛控系統(tǒng)通過通訊鏈路將各類實時飛行參數(shù)發(fā)送至遙控器地面站，使無人機操作人員可以在第一時間及時掌握無人機的飛行狀態(tài)。

2.2 智能化程度高

絕大多數(shù)無人機地面站系統(tǒng)，均需要部署在具有Windows操作系統(tǒng)的便攜式計算機上。從計算機體積及重量方面考慮，攜帶較為不便。同時，地面站系統(tǒng)因其他客觀因素（如采用開源飛控），存在穩(wěn)定性不佳、操作繁瑣、且地面站與無人機遙控器分離的問題，導致在飛行作業(yè)過程中，經(jīng)常需要專門安排人員負責地面站系統(tǒng)的操作與監(jiān)測。

小型四旋翼無人機（大疆精靈4RTK）的地面站系統(tǒng)，集成于無人機配備的遙控器中，運行流暢，簡單易用，具有非常好的人機交互界面，支持KML文件導入，便于規(guī)劃航線；支持多種航線設置，可以根據(jù)不同的作業(yè)類型使用預置的航線規(guī)劃選項；具有避障功能，可有效減少碰撞風險；動力電源具有智能管理系統(tǒng)，可根據(jù)實際飛行情況，預估續(xù)航里程，電量不足時自動返航，降低因電量不足導致失控墜毀的風險。

2.3 使用方便

小型四旋翼無人機（大疆精靈4RTK）集成度極高，搭載1英寸CMOS，有效像素2000萬（總像素2048萬），有效畫幅5472×3648。在到達預先規(guī)劃的起飛點后，只需要安裝螺旋槳和電池，即可完成無人機的組裝，非常便捷；內(nèi)置RTK模塊，可通過設置網(wǎng)絡RTK，大幅提高航片POS點坐標的精度，做到厘米級定位。

2.4 不受部分不利天氣因素影響

在筆者參與的部分小面積的大比例尺[2]測繪工程項目中，曾頻繁遭遇有霧的不利氣象因素。如下文舉例說明的某風電場1：2000比例尺地形圖測繪項目，為減小霧氣對飛行作業(yè)造成的影響，經(jīng)實地測試，需降高至270m高度飛行。如采用搭載索尼A7R相機的固定翼無人機作業(yè)，飛行高度由716m降至270m，單架次作業(yè)面積由約10km2降至約5km2，不僅作業(yè)效率大大降低（固定翼無人機較小型四旋翼無人機在設備安裝、調(diào)試、航線規(guī)劃、飛行轉(zhuǎn)場方面有明顯的劣勢，尤其表現(xiàn)在時間成本上），而且增加了固定翼無人機的飛行風險；采用小型四旋翼無人機作業(yè)，盡管同樣需要降高飛行，但后者降高后的單架次飛行效率，較固定翼無人機而言損失極小，僅由約0.8km2降至約0.7km2，但依靠穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，只要合理規(guī)劃作業(yè)區(qū)域，采用恰當?shù)淖鳂I(yè)方式，完全可以利用小型四旋翼無人機操作方便的優(yōu)勢，通過分割區(qū)塊、高頻次飛行的策略來彌補單架次作業(yè)面積較小的缺憾，同樣可以在較短的時間周期內(nèi)完成固定翼無人機1-2個架次即可完成的飛行工作。

3 兩種提高小型四旋翼無人機在小面積測繪工程中工作效率的方法

在測繪工程中選用哪種類型的無人機作業(yè)，筆者認為，要從測區(qū)面積、測區(qū)地形、測區(qū)氣候、工程精度要求、作業(yè)人員配置等方面綜合考慮，不可僅以工期長短作為主要考量指標。下面以筆者參與的某風電場1：2000地形圖測繪工程項目為例，介紹在此項目中選擇小型四旋翼作為作業(yè)機型的原因，并將兩種提高工作效率的方法進行介紹。

某風電場1：2000地形圖測繪項目，工作區(qū)面積共計約20km2，地形為山區(qū)地貌，常年風力較大，平均風力4-5級。本項目主要任務是獲取工作區(qū)數(shù)字化地形圖（DLGDigital Line Graphic）、正射影像圖（DOM-Digital Orthophoto Map），為某風電公司風電項目建設提供基礎地形地貌數(shù)據(jù)。項目成果采用CGCS2000坐標系高斯克呂格投影，高程采用1985國家高程基準。按照業(yè)主方要求，為滿足后期地形圖精度需要，需要布設相控點若干。

由于并行項目多，人員緊張，本項目可實際參與外業(yè)飛行及相控點布設的作業(yè)人員僅有2人。加之測區(qū)地形為山區(qū)地貌，通過對測區(qū)往期衛(wèi)星影像圖進行分析發(fā)現(xiàn)，測區(qū)因高差較大，可供固定翼無人機選擇的起降場地并不理想，且路網(wǎng)單一。經(jīng)過項目組對測區(qū)面積、可調(diào)配參與本項目外業(yè)飛行人員、相控點布設實施人員、工作區(qū)地形、測區(qū)氣候條件等因素的綜合考量，最終決定采用小型四旋翼無人機（大疆精靈4RTK）進行數(shù)據(jù)采集作業(yè)，在外業(yè)相控的基礎上，采用GPS輔助空三測量技術(shù)，利用PIX4D軟件進行空三加密，在此基礎上生成密集的DSM（數(shù)字表面模型）點，通過處理DSM點獲取數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。然后利用DEM對影像進行正射糾正及鑲嵌，生成數(shù)字正射影像（DOM）。最后導入空三加密成果，通過采用航天遠景和cass10.0軟件，繪制等高線，采集地物信息，進行矢量數(shù)據(jù)的編輯和整飾，最終形成數(shù)字線劃圖（DLG）成果。

在本項目中，采用小型四旋翼無人機（大疆精靈4RTK）作業(yè)，不僅可以避免人員抽調(diào)對其他項目造成的影響，而且可以規(guī)避因高差較大、飛行場地不佳對固定翼無人機造成的起降及飛行風險。另外，采用小型四旋翼無人機（大疆精靈4RTK）作業(yè)，還可以根據(jù)測區(qū)不同區(qū)域的高差情況，及時調(diào)整飛行高度，減少固定翼無人機需要在高海拔地點進行起降作業(yè)，而導致作業(yè)過程中出現(xiàn)的同區(qū)域因高差過大但飛行高度不可變而造成的精度偏差問題。

3.1 分區(qū)規(guī)劃作業(yè)法

首先根據(jù)測區(qū)范圍，嚴格按照業(yè)主方規(guī)定的每兩個相控點之間不超過2km的要求，規(guī)劃相控點位置。在滿足業(yè)主要求及數(shù)據(jù)精度的前提下，為提高工作效率，相控點盡量選擇在車輛可達的道路及房屋附近，且避開植被茂密及水域區(qū)域，再將測區(qū)由整體分割為9個面積大小接近，且單個區(qū)域面積不大于2.5km2的小區(qū)域（如圖1所示）。小型四旋翼無人機航高設置按照1：1000比例尺進行設置，高度300m，理論地面采樣距離（GSD）為8.22cm，完全滿足1：2000比例尺成圖需要。

圖1

按照小型四旋翼無人機（大疆精靈4RTK）航高300m、旁向重疊度65%、航向重疊度75%的設置，單架次平均作業(yè)面積約為0.8km2，作業(yè)時間約25min。完成一塊約2.5km2的作業(yè)面，大約需要3-4架次，約100min。采用分區(qū)規(guī)劃作業(yè)法，作業(yè)人員將以分割區(qū)域為單位，分別布設各個分割區(qū)域所規(guī)劃的相控點，并在布設完成后，優(yōu)先對當前分割區(qū)域進行無人機飛行作業(yè)。待某一塊分割區(qū)域相控點布設及飛行作業(yè)全部完成后，再進行下一塊分割區(qū)域的相控點布設及無人機飛行作業(yè)。

這種作業(yè)方法，一方面可以保證在人員投入較少的前提下保證項目順利推進，另一方面減少了作業(yè)人員在人手不足、路網(wǎng)單一情況下布設相控點的時間成本。同時，此作業(yè)方法在工作區(qū)氣候條件不理想時，可以減少天氣原因?qū)ο嗫攸c布設及無人機飛行帶來的不利影響。只要當日作業(yè)區(qū)塊順利完成，即便是降雨降雪損壞了本區(qū)域內(nèi)的相控點標志，也不會影響整個工作區(qū)的作業(yè)進度。

3.2 一控多機作業(yè)法

本項目采用的小型四旋翼無人機（大疆精靈4RTK），具有一控多機的作業(yè)模式，即一臺遙控器，控制兩架及以上小型四旋翼無人機，最多不超過五架。具體操作方法，首選將分割好的9個分塊區(qū)域的KML文件，導入遙控器中，選擇“大區(qū)分割”的規(guī)劃模式，再將分塊測區(qū)繼續(xù)分割成面積相等的兩個或多個區(qū)域。分割完成后，點擊“參數(shù)設置”選項，將航高設置為300m，旁向重疊率設置為65%，航向重疊率設置為75%，勾選“高程優(yōu)化”選項，選擇“定距拍照”模式。到達預先規(guī)劃的起飛場地后，在規(guī)劃任務里導入設置好的分割航線，將兩架無人機分別分配于區(qū)塊1和區(qū)塊2，點擊“上傳航線”，再點擊“執(zhí)行”按鈕，即可依次起飛或同時起飛開始飛行作業(yè)。采用單架小型四旋翼無人機對面積約2.5km2的面積進行飛行作業(yè)，需要約4架次100min，采用一控多機的作業(yè)方法，同樣的作業(yè)面積，雖然飛行架次數(shù)不變，但由于兩架無人機同時作業(yè)，作業(yè)時間顯著減少。綜合風力及分塊區(qū)域的不規(guī)則形狀因素，平均每塊分割區(qū)塊的作業(yè)時間可減少30%以上。

在本項目中，兩人作業(yè)小組綜合以上兩種作業(yè)方法，在平均風力4級、早晨有霧的情況下，單日至少可以完成2塊分塊區(qū)域的相控點布設及無人機飛行作業(yè)。與此同時，為了保證每塊分割區(qū)塊相鄰區(qū)域的重疊率，項目小組采用小型四旋翼無人機航線規(guī)劃中的“自動邊距”設置功能，用時四天，完成了本項目所有區(qū)塊的相控點布設及無人機飛行作業(yè)，實際飛行面積達26km2，共布設相控點13個。無人機航攝成像時間為上午10：00至下午16：00，共進行了39個架次的飛行，有效架次36次，共計拍攝航片2668張?？紤]到測區(qū)高差較大因素，采用小型四旋翼無人機作業(yè)，在整體作業(yè)周期上，基本與采用固定翼無人機作業(yè)效率一致，且更加靈活，簡單方便。通過后期對航飛數(shù)據(jù)進行數(shù)字空三加密可以看出，本項目空三加密的各項精度[3]均滿足規(guī)范及設計書的要求，可為本項目下道工序使用（空三精度報告如表1所示）。

表1

4 結(jié)束語

無人機在工程測繪中的運用十分廣泛，對于不同的測繪工程項目，從無人機類型選擇到使用方法，必然有很多選擇。如何合理規(guī)劃、規(guī)避風險、降本增效，用合適的設備完成既定任務，將無人機最新的技術(shù)合理地運用到實際的測繪工程生產(chǎn)中去，是一個需要我們持續(xù)關(guān)注、總結(jié)的問題。本文僅以小型四旋翼無人機在小面積測繪工程中的運用及兩種提高工作效率的方法作為探討，希望給相關(guān)工作者一些參考。